तो वास्तव में "प्रोटीन फोल्डिंग" क्या है?

वर्तमान COVID-19 महामारी ने कई समस्याएं पैदा की हैं जिन पर हैकर्स हमला करके खुश हैं। 3डी प्रिंटेड फेस शील्ड और होममेड मेडिकल मास्क से लेकर पूर्ण मैकेनिकल वेंटिलेटर को बदलने तक, विचारों का प्रवाह प्रेरणादायक और दिल को छू लेने वाला था। उसी समय, एक अन्य क्षेत्र में आगे बढ़ने का प्रयास किया गया: अनुसंधान में जिसका उद्देश्य स्वयं वायरस से लड़ना था।

जाहिरा तौर पर, वर्तमान महामारी को रोकने और बाद की सभी महामारी से आगे निकलने की सबसे बड़ी क्षमता उस दृष्टिकोण में निहित है जो समस्या की जड़ तक पहुंचने की कोशिश करता है। यह "अपने दुश्मन को जानें" दृष्टिकोण फोल्डिंग@होम कंप्यूटिंग प्रोजेक्ट द्वारा अपनाया गया है। लाखों लोगों ने इस परियोजना के लिए साइन अप किया है और अपने प्रोसेसर और जीपीयू की कुछ प्रसंस्करण शक्ति दान कर रहे हैं, इस प्रकार इतिहास में सबसे बड़ा [वितरित] सुपर कंप्यूटर बनाया जा रहा है।

लेकिन वास्तव में इन सभी एक्साफ्लॉप्स का उपयोग किस लिए किया जाता है? ऐसी कंप्यूटिंग शक्ति को फेंकना क्यों आवश्यक है? प्रोटीन की तह? यहाँ किस प्रकार की जैवरसायन क्रियाशील है, प्रोटीन को मोड़ने की आवश्यकता ही क्यों पड़ती है? यहां प्रोटीन फोल्डिंग का एक त्वरित अवलोकन दिया गया है: यह क्या है, यह कैसे होता है, और यह महत्वपूर्ण क्यों है।

सबसे पहले, सबसे महत्वपूर्ण बात: प्रोटीन की आवश्यकता क्यों है?

प्रोटीन महत्वपूर्ण संरचनाएँ हैं। वे न केवल कोशिकाओं के लिए निर्माण सामग्री प्रदान करते हैं, बल्कि लगभग सभी जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए एंजाइम उत्प्रेरक के रूप में भी काम करते हैं। गिलहरियाँ, चाहे वे हों संरचनात्मक या एंजाइमी, लंबी श्रृंखलाएं हैं एमिनो एसिड, एक निश्चित क्रम में स्थित है। प्रोटीन के कार्य इस बात से निर्धारित होते हैं कि कौन से अमीनो एसिड प्रोटीन पर कुछ स्थानों पर स्थित हैं। यदि, उदाहरण के लिए, एक प्रोटीन को सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए अणु से बांधने की आवश्यकता होती है, तो बंधन स्थल को नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए अमीनो एसिड से भरा होना चाहिए।

यह समझने के लिए कि प्रोटीन किस प्रकार वह संरचना प्राप्त करते हैं जो उनके कार्य को निर्धारित करती है, हमें आणविक जीव विज्ञान की मूल बातें और कोशिका में सूचना के प्रवाह पर ध्यान देने की आवश्यकता है।

उत्पादन, या अभिव्यक्ति प्रोटीन की प्रक्रिया शुरू होती है ट्रांसक्रिप्शन. प्रतिलेखन के दौरान, डीएनए डबल हेलिक्स, जिसमें कोशिका की आनुवंशिक जानकारी होती है, आंशिक रूप से खुल जाता है, जिससे डीएनए के नाइट्रोजन आधार नामक एंजाइम को उपलब्ध होने की अनुमति मिलती है। आरएनए पोलीमरेज़. आरएनए पोलीमरेज़ का काम एक जीन की आरएनए प्रतिलिपि, या प्रतिलेखन बनाना है। यह एक जीन की प्रतिलिपि कहलाती है संदेशवाहक आरएनए (एमआरएनए), इंट्रासेल्युलर प्रोटीन कारखानों को नियंत्रित करने के लिए आदर्श एकल अणु है, राइबोसोमजो उत्पादन में लगे हुए हैं, या प्रसारण प्रोटीन.

राइबोसोम असेंबली मशीनों की तरह काम करते हैं - वे एमआरएनए टेम्पलेट लेते हैं और इसे आरएनए के अन्य छोटे टुकड़ों से मिलाते हैं, आरएनए स्थानांतरण (टीआरएनए)। प्रत्येक टीआरएनए में दो सक्रिय क्षेत्र होते हैं - तीन आधारों का एक खंड जिसे कहा जाता है anticodon, जो एमआरएनए के संबंधित कोडन से मेल खाना चाहिए, और इसके लिए विशिष्ट अमीनो एसिड को बांधने के लिए एक साइट होनी चाहिए कोडोन. अनुवाद के दौरान, राइबोसोम में टीआरएनए अणु यादृच्छिक रूप से एंटीकोडोन का उपयोग करके एमआरएनए से जुड़ने की कोशिश करते हैं। सफल होने पर, टीआरएनए अणु अपने अमीनो एसिड को पिछले वाले से जोड़ता है, जिससे एमआरएनए द्वारा एन्कोड किए गए अमीनो एसिड की श्रृंखला में अगला लिंक बनता है।

अमीनो एसिड का यह क्रम प्रोटीन संरचनात्मक पदानुक्रम का पहला स्तर है, इसीलिए इसे कहा जाता है प्राथमिक संरचना. प्रोटीन की संपूर्ण त्रि-आयामी संरचना और उसके कार्य सीधे प्राथमिक संरचना से प्राप्त होते हैं, और प्रत्येक अमीनो एसिड के विभिन्न गुणों और एक दूसरे के साथ उनकी बातचीत पर निर्भर करते हैं। इन रासायनिक गुणों और अमीनो एसिड इंटरैक्शन के बिना, पॉलीपेप्टाइड्स वे त्रि-आयामी संरचना के बिना रैखिक अनुक्रम बने रहेंगे। इसे हर बार जब आप खाना पकाते हैं तो देखा जा सकता है - इस प्रक्रिया में थर्मल होता है विकृतीकरण प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना।

प्रोटीन भागों के लंबी दूरी के बंधन

त्रि-आयामी संरचना के अगले स्तर को, प्राथमिक स्तर से आगे बढ़कर, एक चतुर नाम दिया गया द्वितीयक संरचना. इसमें अपेक्षाकृत निकट क्रिया वाले अमीनो एसिड के बीच हाइड्रोजन बंधन शामिल हैं। इन स्थिरीकरण अंतःक्रियाओं का मुख्य सार दो बातों पर आधारित है: अल्फा हेलिकॉप्टर и बीटा सूची. अल्फा हेलिक्स पॉलीपेप्टाइड का कसकर कुंडलित क्षेत्र बनाता है, जबकि बीटा शीट चिकना, चौड़ा क्षेत्र बनाती है। दोनों संरचनाओं में उनके घटक अमीनो एसिड की विशेषताओं के आधार पर संरचनात्मक और कार्यात्मक दोनों गुण होते हैं। उदाहरण के लिए, यदि अल्फा हेलिक्स में मुख्य रूप से हाइड्रोफिलिक अमीनो एसिड होते हैं, जैसे arginine या लाइसिन, तो यह संभवतः जलीय प्रतिक्रियाओं में भाग लेगा।

प्रोटीन में अल्फा हेलिकॉप्टर और बीटा शीट। प्रोटीन अभिव्यक्ति के दौरान हाइड्रोजन बांड बनते हैं।

ये दो संरचनाएं और उनका संयोजन प्रोटीन संरचना का अगला स्तर बनाते हैं - तृतीयक संरचना. द्वितीयक संरचना के सरल टुकड़ों के विपरीत, तृतीयक संरचना मुख्य रूप से हाइड्रोफोबिसिटी से प्रभावित होती है। अधिकांश प्रोटीनों के केंद्रों में अत्यधिक हाइड्रोफोबिक अमीनो एसिड होते हैं, जैसे ऐलेनिन या मेथिओनिन, और रेडिकल्स की "चिकनी" प्रकृति के कारण पानी को वहां से बाहर रखा गया है। ये संरचनाएं अक्सर कोशिकाओं के आसपास लिपिड बाईलेयर झिल्ली में एम्बेडेड ट्रांसमेम्ब्रेन प्रोटीन में दिखाई देती हैं। प्रोटीन के हाइड्रोफोबिक क्षेत्र झिल्ली के वसायुक्त भाग के अंदर थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर रहते हैं, जबकि प्रोटीन के हाइड्रोफिलिक क्षेत्र दोनों तरफ के जलीय वातावरण के संपर्क में आते हैं।

इसके अलावा, तृतीयक संरचनाओं की स्थिरता अमीनो एसिड के बीच लंबी दूरी के बंधन द्वारा सुनिश्चित की जाती है। ऐसे कनेक्शन का एक उत्कृष्ट उदाहरण है डाइसल्फ़ाइड पुल, अक्सर दो सिस्टीन रेडिकल्स के बीच होता है। यदि आपको किसी ग्राहक के बालों पर पर्म प्रक्रिया के दौरान हेयर सैलून में सड़े हुए अंडे जैसी किसी चीज़ की गंध आती है, तो यह बालों में निहित केराटिन की तृतीयक संरचना का आंशिक विकृतीकरण था, जो कि डाइसल्फ़ाइड बांड की कमी के माध्यम से होता है। सल्फर युक्त की मदद थिओल मिश्रण.

तृतीयक संरचना लंबी दूरी की अंतःक्रियाओं जैसे हाइड्रोफोबिसिटी या डाइसल्फ़ाइड बांड द्वारा स्थिर होती है

डाइसल्फ़ाइड बांड के बीच हो सकता है सिस्टीन एक ही पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला में रेडिकल, या विभिन्न पूर्ण श्रृंखलाओं से सिस्टीन के बीच। विभिन्न श्रृंखलाओं के बीच अंतःक्रियाएँ बनती हैं चारों भागों का प्रोटीन संरचना का स्तर. चतुर्धातुक संरचना का एक उत्कृष्ट उदाहरण है हीमोग्लोबिन यह आपके खून में है. प्रत्येक हीमोग्लोबिन अणु में चार समान ग्लोबिन, प्रोटीन भाग होते हैं, जिनमें से प्रत्येक डाइसल्फ़ाइड पुलों द्वारा पॉलीपेप्टाइड के भीतर एक विशिष्ट स्थिति में रखा जाता है, और लौह युक्त हीम अणु से भी जुड़ा होता है। सभी चार ग्लोबिन अंतर-आणविक डाइसल्फ़ाइड पुलों से जुड़े हुए हैं, और पूरा अणु एक साथ कई वायु अणुओं से बंधता है, चार तक, और आवश्यकतानुसार उन्हें मुक्त करने में सक्षम है।

रोग उपचार की खोज में मॉडलिंग संरचनाएँ

अनुवाद के दौरान पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएं अपने अंतिम आकार में मुड़ना शुरू कर देती हैं, जैसे-जैसे बढ़ती श्रृंखला राइबोसोम से बाहर निकलती है, वैसे ही मेमोरी-मिश्र धातु के तार का एक टुकड़ा गर्म होने पर जटिल आकार ले सकता है। हालाँकि, जीव विज्ञान में हमेशा की तरह चीज़ें इतनी सरल नहीं हैं।

कई कोशिकाओं में, प्रतिलेखित जीन अनुवाद से पहले व्यापक संपादन से गुजरते हैं, जिससे जीन के शुद्ध आधार अनुक्रम की तुलना में प्रोटीन की मूल संरचना में महत्वपूर्ण परिवर्तन होता है। इस मामले में, अनुवाद संबंधी तंत्र अक्सर आणविक चैपरोन, प्रोटीन की मदद लेते हैं जो अस्थायी रूप से नवजात पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला से जुड़ते हैं और इसे किसी भी मध्यवर्ती रूप को लेने से रोकते हैं, जिससे वे फिर अंतिम रूप में आगे बढ़ने में सक्षम नहीं होंगे।

इतना ही कहना है कि प्रोटीन के अंतिम आकार की भविष्यवाणी करना कोई मामूली काम नहीं है। दशकों तक, प्रोटीन की संरचना का अध्ययन करने का एकमात्र तरीका एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी जैसे भौतिक तरीकों के माध्यम से था। 1960 के दशक के अंत तक बायोफिजिकल रसायनज्ञों ने प्रोटीन फोल्डिंग के कम्प्यूटेशनल मॉडल बनाना शुरू नहीं किया था, मुख्य रूप से माध्यमिक संरचना मॉडलिंग पर ध्यान केंद्रित किया था। इन विधियों और उनके वंशजों को प्राथमिक संरचना के अलावा भारी मात्रा में इनपुट डेटा की आवश्यकता होती है - उदाहरण के लिए, अमीनो एसिड बॉन्ड कोणों की तालिकाएं, हाइड्रोफोबिसिटी की सूचियां, चार्ज किए गए राज्य और यहां तक ​​कि विकासवादी समय के पैमाने पर संरचना और कार्य का संरक्षण - सभी के लिए अनुमान लगाएं कि अंतिम प्रोटीन की तरह क्या होगा।

माध्यमिक संरचना भविष्यवाणी के लिए आज की कम्प्यूटेशनल विधियाँ, जैसे कि फोल्डिंग@होम नेटवर्क पर चलने वाली, लगभग 80% सटीकता के साथ काम करती हैं - जो समस्या की जटिलता को देखते हुए बहुत अच्छी है। SARS-CoV-2 स्पाइक प्रोटीन जैसे प्रोटीन पर पूर्वानुमानित मॉडल द्वारा उत्पन्न डेटा की तुलना वायरस के भौतिक अध्ययन के डेटा से की जाएगी। परिणामस्वरूप, प्रोटीन की सटीक संरचना प्राप्त करना संभव होगा और, शायद, यह समझना संभव होगा कि वायरस रिसेप्टर्स से कैसे जुड़ता है एंजियोटेंसिन परिवर्तित एंजाइम 2 एक व्यक्ति जो शरीर में प्रवेश करने वाले श्वसन पथ में स्थित होता है। यदि हम इस संरचना का पता लगा सकते हैं, तो हम ऐसी दवाएं ढूंढने में सक्षम हो सकते हैं जो बंधन को रोकती हैं और संक्रमण को रोकती हैं।

प्रोटीन फोल्डिंग अनुसंधान कई बीमारियों और संक्रमणों के बारे में हमारी समझ के केंद्र में है, यहां तक ​​कि जब हम फोल्डिंग@होम नेटवर्क का उपयोग यह पता लगाने के लिए करते हैं कि सीओवीआईडी ​​​​-19 को कैसे हराया जाए, जिसे हमने हाल ही में तेजी से वृद्धि में देखा है, तो नेटवर्क जीत गया।' लंबे समय तक निष्क्रिय न रहें। काम करें। यह एक शोध उपकरण है जो प्रोटीन पैटर्न का अध्ययन करने के लिए उपयुक्त है जो दर्जनों प्रोटीन मिसफोल्डिंग बीमारियों का कारण बनता है, जैसे अल्जाइमर रोग या वैरिएंट क्रुट्ज़फेल्ड-जैकब रोग, जिसे अक्सर गलत तरीके से पागल गाय रोग कहा जाता है। और जब कोई अन्य वायरस अनिवार्य रूप से प्रकट होगा, तो हम उससे फिर से लड़ना शुरू करने के लिए तैयार होंगे।

स्रोत: www.habr.com